Luz cansada

Parte de una serie sobre
Cosmología física
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Historial del tema Descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas Historia de la teoría del Big Bang Cronología de las teorías cosmológicas
Categoría Portal de astronomía
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La luz cansada es una clase de mecanismos hipotéticos de corrimiento al rojo que se propuso como una explicación alternativa para la relación corrimiento al rojo-distancia . Estos modelos se han propuesto como alternativas a los modelos que involucran la expansión del universo . El concepto fue propuesto por primera vez en 1929 por Fritz Zwicky , quien sugirió que si los fotones perdían energía con el tiempo a través de colisiones con otras partículas de manera regular, los objetos más distantes aparecerían más rojos que los más cercanos.

Zwicky reconoció que cualquier tipo de dispersión de la luz desdibujaría las imágenes de objetos distantes más de lo que se ve. Además, se ha observado el brillo superficial de las galaxias que evoluciona con el tiempo , la dilatación temporal de las fuentes cosmológicas y un espectro térmico del fondo cósmico de microondas ; estos efectos no deberían estar presentes si el corrimiento al rojo cosmológico se debiera a algún mecanismo de dispersión de luz cansada. ^{[1] [2] [3]} A pesar de la revisión periódica del concepto, la luz cansada no ha sido apoyada por pruebas observacionales y sigue siendo un tema marginal en la astrofísica. ^[4]

La luz cansada fue una idea que surgió debido a la observación hecha por Edwin Hubble de que las galaxias distantes tienen corrimientos al rojo proporcionales a su distancia . El corrimiento al rojo es un cambio en el espectro de la radiación electromagnética emitida desde un objeto hacia energías y frecuencias más bajas, asociado con el fenómeno del efecto Doppler . Los observadores de nebulosas espirales como Vesto Slipher observaron que estos objetos (ahora conocidos como galaxias separadas ) generalmente exhibían corrimientos al rojo en lugar de corrimientos al azul independientemente de dónde estuvieran ubicados. Dado que la relación se mantiene en todas las direcciones, no se puede atribuir al movimiento normal con respecto a un fondo que mostraría una variedad de corrimientos al rojo y al azul. Todo se está alejando de la galaxia de la Vía Láctea. La contribución de Hubble fue demostrar que la magnitud del corrimiento al rojo se correlacionaba fuertemente con la distancia a las galaxias.

Basándose en los datos de Slipher y Hubble, en 1927 Georges Lemaître se dio cuenta de que esta correlación podía ajustarse a soluciones no estáticas para las ecuaciones de la teoría de la gravedad de Einstein, las soluciones de Friedmann-Lemaître. Sin embargo, el artículo de Lemaître fue apreciado solo después de la publicación de Hubble en 1929. La relación universal desplazamiento al rojo-distancia en esta solución es atribuible al efecto que un universo en expansión tiene sobre un fotón que viaja en un intervalo de espacio-tiempo nulo (también conocido como geodésica "similar a la luz" ). En esta formulación, todavía había un efecto análogo al efecto Doppler , aunque las velocidades relativas deben manejarse con más cuidado ya que las distancias pueden definirse de diferentes maneras en un universo en expansión .

Al mismo tiempo, se propusieron otras explicaciones que no concordaban con la relatividad general. Edward Milne propuso una explicación compatible con la relatividad especial pero no con la relatividad general, según la cual hubo una explosión gigante que podría explicar los corrimientos al rojo (véase Universo de Milne ). Otros propusieron que los efectos sistemáticos podrían explicar la correlación corrimiento al rojo-distancia. En esta línea, Fritz Zwicky propuso un mecanismo de "luz cansada" en 1929. ^[5] Zwicky sugirió que los fotones podrían perder energía lentamente a medida que viajan grandes distancias a través de un universo estático por interacción con materia u otros fotones, o por algún mecanismo físico novedoso. Dado que una disminución de la energía corresponde a un aumento de la longitud de onda de la luz , este efecto produciría un corrimiento al rojo en las líneas espectrales que aumentan proporcionalmente con la distancia de la fuente. El término "luz cansada" fue acuñado por Richard Tolman a principios de la década de 1930 como una forma de referirse a esta idea. ^[6] Helge Kragh ha señalado que "la hipótesis de Zwicky era la alternativa más conocida y más elaborada al universo en expansión, pero estaba lejos de ser la única. Más de una docena de físicos, astrónomos y científicos aficionados propusieron en la década de 1930 ideas de luz cansada que tenían en común la suposición de que los fotones nebulares interactuaban con materia intergaláctica a la que transferían parte de su energía". Kragh destacó en particular a John Quincy Stewart , William Duncan MacMillan y Walther Nernst . ^[7]

Los mecanismos de luz cansada se encontraban entre las alternativas propuestas a las cosmologías del Big Bang y del estado estacionario , ambas basadas en la expansión relativista general del universo de la métrica FRW. Hasta mediados del siglo XX, la mayoría de los cosmólogos apoyaban uno de estos dos paradigmas , pero había unos pocos científicos, especialmente aquellos que trabajaban en alternativas a la relatividad general, que trabajaban con la alternativa de la luz cansada. ^[8] A medida que la disciplina de la cosmología observacional se desarrolló a fines del siglo XX y los datos asociados se volvieron más numerosos y precisos, el Big Bang emergió como la teoría cosmológica más respaldada por la evidencia observacional, y sigue siendo el modelo de consenso aceptado con una parametrización actual que especifica con precisión el estado y la evolución del universo. Aunque las propuestas de "cosmologías de luz cansada" están ahora más o menos relegadas al basurero de la historia, como una propuesta completamente alternativa las cosmologías de luz cansada fueron consideradas una posibilidad remota digna de alguna consideración en los textos de cosmología hasta bien entrada la década de 1980, aunque fueron descartadas como una propuesta improbable y ad hoc por los astrofísicos convencionales. ^[9]

En la década de 1990 y en el siglo XXI, una serie de observaciones que lo desmentían han demostrado que las hipótesis de la "luz cansada" no son explicaciones viables para los corrimientos al rojo cosmológicos. ^[2] Por ejemplo, en un universo estático con mecanismos de luz cansada, el brillo superficial de las estrellas y galaxias debería ser constante, es decir, cuanto más lejos está un objeto, menos luz recibimos, pero su área aparente también disminuye, por lo que la luz recibida dividida por el área aparente debería ser constante. En un universo en expansión, el brillo superficial disminuye con la distancia. A medida que el objeto observado se aleja, los fotones se emiten a un ritmo reducido porque cada fotón tiene que recorrer una distancia un poco mayor que el anterior, mientras que su energía se reduce un poco debido al aumento del corrimiento al rojo a una distancia mayor. Por otro lado, en un universo en expansión, el objeto parece ser más grande de lo que realmente es, porque estaba más cerca de nosotros cuando los fotones comenzaron su viaje. Esto provoca una diferencia en el brillo superficial de los objetos entre un Universo estático y uno en expansión. Esto se conoce como la prueba de brillo superficial de Tolman , que en esos estudios favorece la hipótesis del universo en expansión y descarta los modelos estáticos de luz cansada. ^{[10] [11] [12]}

El corrimiento al rojo es directamente observable y los cosmólogos lo utilizan como una medida directa del tiempo de retrospección . A menudo se refieren a la edad y la distancia a los objetos en términos de corrimiento al rojo en lugar de años o años luz. En esa escala, el Big Bang corresponde a un corrimiento al rojo del infinito. ^[10] Las teorías alternativas de la gravedad que no tienen un universo en expansión en ellas necesitan una alternativa para explicar la correspondencia entre el corrimiento al rojo y la distancia que es sui generis para las métricas en expansión de la relatividad general. A estas teorías a veces se las denomina "cosmologías de luz cansada", aunque no todos los autores son necesariamente conscientes de los antecedentes históricos. ^[13]

En general, cualquier mecanismo de "luz cansada" debe resolver algunos problemas básicos, en el sentido de que el corrimiento al rojo observado debe:

• Admite la misma medida en cualquier banda de longitud de onda.
• no exhibir borrosidad
• Siga la relación detallada de Hubble observada con datos de supernovas (ver universo acelerado )
• explicar la dilatación del tiempo asociada a eventos cosmológicamente distantes.

A lo largo de los años se han sugerido varios mecanismos de luz cansada. Fritz Zwicky , en su artículo que propone estos modelos, investigó varias explicaciones del corrimiento al rojo, descartando algunas de ellas por sí mismo. La forma más simple de una teoría de luz cansada supone una disminución exponencial de la energía de los fotones con la distancia recorrida:

$${\displaystyle E(x)=E_{0}\exp \left(-{\frac {x}{R_{0}}}\right)}$$

donde es la energía del fotón a distancia de la fuente de luz, es la energía del fotón en la fuente de luz, y es una constante grande que caracteriza la "resistencia del espacio". Para corresponder a la ley de Hubble , la constante debe ser de varios gigaparsecs . Por ejemplo, Zwicky consideró si un efecto Compton integrado podría explicar la normalización de escala del modelo anterior:${\displaystyle E(x)}$${\displaystyle x}$${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle R_{0}}$${\displaystyle R_{0}}$

... la luz procedente de nebulosas distantes sufriría un desplazamiento hacia el rojo por efecto Compton sobre esos electrones libres [en los espacios interestelares] [...] Pero entonces la luz dispersada en todas direcciones haría el espacio interestelar intolerablemente opaco lo que descarta la explicación anterior. [...] es evidente que cualquier explicación basada en un proceso de dispersión como el efecto Compton o el efecto Raman , etc., estará en una posición desesperada en cuanto a la buena definición de las imágenes. ^[5]

Esta esperada "difuminación" de los objetos cosmológicamente distantes no se observa en la evidencia observacional, aunque se necesitarían telescopios mucho más grandes que los disponibles en ese momento para mostrarlo con certeza. Alternativamente, Zwicky propuso una especie de explicación del efecto Sachs-Wolfe para la relación entre la distancia y el corrimiento al rojo:

Se podría esperar un desplazamiento de las líneas espectrales debido a la diferencia del potencial gravitatorio estático a diferentes distancias del centro de una galaxia. Este efecto, por supuesto, no tiene relación con la distancia de la galaxia observada a nuestro propio sistema y, por lo tanto, no puede proporcionar ninguna explicación del fenómeno analizado en este artículo. ^[5]

Las propuestas de Zwicky fueron presentadas cuidadosamente como falsables según observaciones posteriores:

... [un] análogo gravitacional del efecto Compton [...] Es fácil ver que el corrimiento al rojo anterior debería ensanchar estas líneas de absorción asimétricamente hacia el rojo. Si estas líneas pueden ser fotografiadas con una dispersión suficientemente alta, el desplazamiento del centro de gravedad de la línea dará el corrimiento al rojo independiente de la velocidad del sistema desde el cual se emite la luz. ^[5]

Este ensanchamiento de las líneas de absorción no se observa en objetos de alto corrimiento al rojo, lo que refuta esta hipótesis particular. ^[14]

Zwicky también señala, en el mismo artículo, que según un modelo de luz agotado, necesariamente estaría presente una relación distancia-desplazamiento al rojo en la luz procedente de fuentes dentro de nuestra propia galaxia (incluso si el desplazamiento al rojo fuera tan pequeño que fuera difícil de medir), que no aparece bajo una teoría basada en la velocidad recesional. Escribe, refiriéndose a las fuentes de luz dentro de nuestra galaxia: "Es especialmente deseable determinar el desplazamiento al rojo independientemente de las velocidades propias de los objetos observados". ^[5] Posteriormente, los astrónomos han cartografiado pacientemente el espacio de fase de velocidad-posición tridimensional para la galaxia y han descubierto que los desplazamientos al rojo y al azul de los objetos galácticos concuerdan bien con la distribución estadística de una galaxia espiral, eliminando el componente intrínseco del desplazamiento al rojo como efecto. ^[15]

Siguiendo a Zwicky en 1935, Edwin Hubble y Richard Tolman compararon el corrimiento al rojo recesivo con uno no recesivo, escribiendo que

Ambos se inclinan a la opinión, sin embargo, de que si el corrimiento al rojo no se debe al movimiento recesivo, su explicación probablemente involucrará algunos principios físicos bastante nuevos [...] y el uso de un modelo estático de Einstein del universo, combinado con la suposición de que los fotones emitidos por una nebulosa pierden energía en su viaje hacia el observador por algún efecto desconocido, que es lineal con la distancia, y que conduce a una disminución en la frecuencia, sin una desviación transversal apreciable. ^[16]

Estas condiciones se volvieron casi imposibles de cumplir y el éxito general de las explicaciones relativistas generales para la relación desplazamiento al rojo-distancia es una de las razones principales por las que el modelo del Big Bang del universo sigue siendo la cosmología preferida por los investigadores.

A principios de los años 1950, Erwin Finlay-Freundlich propuso un corrimiento al rojo como "el resultado de la pérdida de energía de los fotones observados al atravesar un campo de radiación". ^[17] Esto fue citado y defendido como una explicación de la relación corrimiento al rojo-distancia en un artículo de teoría astrofísica de 1962 en la revista Nature escrito por el profesor de física de la Universidad de Manchester PF Browne. ^[18] El destacado cosmólogo Ralph Asher Alpher escribió una carta a Nature tres meses después en respuesta a esta sugerencia criticando duramente el enfoque: "No se ha propuesto ningún mecanismo físico generalmente aceptado para esta pérdida". ^[19] Aún así, hasta que se dio inicio a la llamada "Era de la Cosmología de Precisión" con los resultados de la sonda espacial WMAP y los estudios modernos de corrimiento al rojo , ^[20] los modelos de luz cansada podían ocasionalmente publicarse en las revistas principales, incluyendo uno que se publicó en la edición de febrero de 1979 de Nature proponiendo "desintegración de fotones" en un espacio-tiempo curvo ^[21] que fue criticado cinco meses después en la misma revista por ser totalmente inconsistente con las observaciones del corrimiento al rojo gravitacional observado en el limbo solar . ^{[22] En 1986 se publicó en el} Astrophysical Journal un artículo que afirmaba que las teorías de la luz cansada explicaban el corrimiento al rojo mejor que la expansión cósmica , ^[23] pero diez meses después, en la misma revista, se demostró que dichos modelos de luz cansada eran inconsistentes con las observaciones existentes. ^[24] A medida que las mediciones cosmológicas se hicieron más precisas y las estadísticas en los conjuntos de datos cosmológicos mejoraron, las propuestas de luz cansadas terminaron siendo falsificadas, ^{[1] [2] [3]} hasta el punto de que la teoría fue descrita en 2001 por el escritor científico Charles Seife como "firmemente al margen de la física hace 30 años; aún así, los científicos buscaron pruebas más directas de la expansión del cosmos". ^[25]

• Dispersión (óptica)